Přidat na Seznam.cz Přidat na Google News

Objevme stropní sálavé vytápění a jeho jedinečné služby

Při tomto vytápění ohříváme stropní plochu nebo její podstatnou část tak, že její teplota převyšuje jen o několik stupňů požadovanou pokojovou teplotu. Pobyt pod stropním vytápěním je příjemný a my navíc šetříme energii; jde o nejúčinnější způsob vytápění. Naplánovat „otopný“ strop je snadné, s využitím suché sádrokartonové výstavby ho lze snadno i zhotovit.

Člověk už dávno ví, že Slunce hřeje shora. To, že se stropní vytápění, které hřeje také shora, začíná realizovat až nyní, je pochopitelné. Umístit zdroj tepla (ohniště, kamna apod.) kamsi „nahoru”, na strop skalního převisu, do větví stromu nebo pod strop chýše nemohlo dříve obstát. Vznikla ale mylná představa, že teplo vždy stoupá vzhůru, což Vám někdy řekne i osoba s titulem a kulatým razítkem.

Známé pravidlo pro pocit tepelné pohody v místnosti, že součet teploty stěn a teploty vzduchu má dávat 40 °C až 45 °C, lze jednoduše přeložit do fyzikální věty tak, že součet teploty prostorového tepelného záření a teploty vzduchu, která se po ustálení přizpůsobí teplotě záření, je 40 až 45 °C.

Akce stropního vytápění krok po kroku

Představme si nevytopenou místnost o délce 5 m, šířce 4 m a výšce 2,5 m, kde v zimě měříme teplotu 0 °C. Podlaha, všechny čtyři stěny a strop mají tutéž teplotu. Od těchto konstrukcí se samozřejmě ohřeje i vzduch na tutéž teplotu 0 °C. Vedle vzduchu je v místnosti ještě prostorové tepelné záření, jehož teplota je také 0 °C Naše smysly toto záření nevidí, ale cítí ho jako chlad.

  1. Ohřejme strop na teplotu 25 °C. Správně navržené stropní vytápění to zvládne za několik minut. Co nastane?
  2. V místnosti se ihned ustaví nová teplota prostorového tepelného záření, která nebude ani 25 °C, ani 0 °C, ale necelých 5,9 °C. Stoupne cca o 1/4 původního teplotního rozdílu mezi stropem a stěnami, protože strop představuje 20/85 ≈ ¼ celé vnitřní plochy místnosti. Přesnější výpočet, který si později ukážeme, vede k hodnotě 6,5 °C.
  3. Tepelné záření začne ohřívat podlahu, stěny místnosti a později i vzduch.
  4. S tím, jak se ohřívají stěny místnosti a podlaha, zpětně roste i teplota prostorového tepelného záření. To opět zvyšuje teplotu podlahy, stěn a vzduchu, atd. a tak dlouho, dokud se teploty neustálí.
  5. Kdyby stěny nepropouštěly teplo ven, ustálila by se konečná teplota podlahy a stěn na hodnotě 25 °C. V praxi se ale ustálí konečná teplota někde pod teplotou 25 °C. O konkrétní konečné teplotě rozhoduje tepelná izolace podlahy a stěn. Při velikostech součinitelů prostupu tepla stropu (UC = 0,24 W/(m2K)), stěn (UW = 0,3 W/(m2K)) a podlahy spojené se zeminou (UF = 0,45 W/(m2K)) na úrovni požadavků současné normy dostaneme tento výsledek:
  • teplota stropu: θC = 25 °C,
  • teplota stěn: θW = 20,45 °C,
  • teplota podlahy: θF = 20,52 °C,
  • teplota prostorového záření: θSP = 21,6 °C,
  • topný příkon: P = 530 W.

Topný příkon P je roven tepelné ztrátě Z všemi stěnami (se součinitelem UW = 0,3 W/(m2K)), stropem (UC = 0,24 W/(m2K)) a podlahou (UF = 0,45 W/(m2K)) a určí se podle vzorce

Sálání je určující děj

Je důležité vědět, že v místnostech, jejichž rozměry měříme od metrů výše, je vždy dominujícím teplosměnným mechanismem sálání tepla. Vzduch se jako teplosměnné médium účastní jen okrajově a v závislosti na sálání. Přítomnost vzduchu v uzavřené místnosti může ovlivnit čas, za který dojde k ustálení teplot, ale neovlivní ustálené teploty, nebo jen málo. Přibližme si to:

Po zapnutí stropního vytápění (body 1 až 5) se povrch stropu ohřál na 25 °C a postupně se pak ohřály i ostatní plochy na ustálenou teplotu θW = 20,45 °C (stěny) a θF = 20,52 °C (podlaha). Odtud pak plyne teplota prostorového záření na úrovni θSP = 21,6 °C. Co se děje se vzduchem?

Pohled zdola na zavěšené panely nízkoteplotního stropního vytápění. Jejich pohledový povrch bude ještě upraven tenkovrstvou omítkou s výztužnou síťkou.

V procesu ustalování se vzduch ve větších vzdálenostech od hraničních ploch (cca od 10 až 20 cm výše) ohřeje na teplotu prostorového záření θVZD = θSP = 21,6 °C. Vyjma vzduchové vrstvy 10 až 20 cm podél stěn, podlahy a stropu se v místnosti vytvoří teplotní plató, kde jsou teploty vzduchu a záření totožné. Toto plató má podstatné důsledky:

a) sdílení tepla mezi vzdálenými plochami, např. stropem a podlahou nebo sousedícími stěnami (mimo úzký pruh jejich společného nároží) se nemůže odehrávat vedením ani prouděním tepla vzduchem, protože tu chybí nutný teplotní gradient,

b) sdílení tepla zde může probíhat pouze sáláním.

Z toho plyne, že počáteční proměnné toky tepla, které vedou k ustálení teplot a k ustáleným tepelným tokům v místnosti, jsou řízeny prostorovým tepelným zářením. Jen v blízkosti povrchů roste podíl vedení a proudění tepla. Jinými slovy: Pokud nepoužíváme ventilátory a větráky, rozhodují o výsledné prostorové teplotě především sálavé děje, tj. tepelné záření stěn, stropu, podlahy a ostatních povrchů (nábytek).

Pocit tepelné pohody

Předchozí tvrzení má zásadní význam. Vytápění jakékoliv místnosti lze řešit jako sálavou úlohu. To se týká i vytápění teplovzdušnými ventilátory, kdy proudící teplý vzduch kontaktně ohřívá stěny, které pak vyzařují požadované vhodné tepelné záření. V případě stropního sálavého vytápění nejdříve ustavíme správnou nebo vyšší teplotu prostorového tepelného záření a od něho se postupně prohřeje i vzduch.

Snadný návrh sálavého vytápění

Při stropním vytápění velmi elegantně řešíme dva základní problémy, totiž:

a) jaká je startovací teplota topidla, aby se ve vychladlé místnosti rychle ustavil pocit tepelné pohody,

b) jaká je provozní, tzn. ustálená teplota topidla, kdy je místnost prohřátá.

S oběma provozními režimy souvisí i odpovídající spotřeba energie, kterou také chceme znát. V naší místnosti 5 × 4 × 2,5 m s plochou vytápěného stropu 20 m2, plochou podlahy a stěn 65 m2 je to snadné. Je-li místnost včetně stropu prochladlá na 15 °C (T = 273,15+15 K) a my chceme co nejrychleji ustavit prostorovou teplotu 20 °C (T = 273,15+20 K), ptáme se, na jakou teplotu musíme ohřát strop? Odpověď dává rovnice:

po úpravě a dosazení počátečních teplot dostaneme:

což pak dává Tstrop = 307,85 K, neboli 35 °C po zaokrouhlení na celé stupně. Při této teplotě stropu se v prostoru ustaví prostorové tepelné záření o teplotě 20 °C, od něhož se během několika minut ohřeje na tutéž teplotu prostorový vzduch. Tím se naplní podmínky tepelné pohody, aby součet teploty prostorového tepelného záření a teploty vzduchu dával 40 °C až 45 °C.

Pokud by na počátku, čistě teoreticky, byla místnost velmi prochladlá, např. na teplotu 0 °C, museli bychom pro okamžité ustavení komfortní prostorové teploty 20 °C ohřát povrch stropu nad 60 °C. Výhodnější, než navrhovat stropní topení na tyto provozní teploty, které sice dávají velké výkony, ale jsou energeticky méně účinné, je „zatopit” v dostatečném předstihu na nízkoteplotní úrovni do cca 40 °C.

Jinou otázkou je odhad provozního výkonu stropního vytápění. Ten samozřejmě závisí na teplotách za zdmi, podlahou a stropem místnosti a na jejich tepelněizolačních vlastnostech, které jsou definovány součiniteli prostupu tepla U. To je už téma na jiný článek.

Provedení stropního vytápění

Největší předností tohoto vytápění je nebo měla by být velmi rychlá reakce na jakýkoliv regulační podnět. To je výhoda před „horkými” lokálními topidly nebo těžkopádným podlahovým topením pod vrstvou betonu. Ideální je instalovat stropní otopné panely na zavěšený stropní křížový rošt připravený pro osazení sádrokartonových stropních desek. V případě elektrického stropního vytápění by elektrické nízkoteplotní otopné fólie měly ležet shora na nepohledové vrchní straně sádrokartonové stropní desky.

U teplovodního stropního vytápění by otopné trubky měly být vsazeny do speciálních stropních profilů, které jsou součástí stropního křížového roštu. Ten by měl zaručit, že po osazení SDK desky budou otopné trubky i profil, do kterého jsou vsazeny, ideálně v kontaktu s horní stranou stropních desek. V budoucnu lze čekat i vznik jiných řešení, která umožní co nejlepší přestup tepla z otopné trubky přímo na spodní, pohledový povrch stropní desky.

Závěr

Stropní vytápění není nesmysl, jak někdo říká. Je to řešení, které připomíná Slunce, jež také dodává teplo shora. Pro jeho pochopení je nutné porozumět tepelnému záření a tomu, že nepřeskakuje jen mezi studenými a ohřátými tělesy, ale že vždy zaplňuje prostor podobně jako plyn (fyzika používá pojem fotonový plyn), který sdílí energii s povrchy. Tepelné záření je dominujícím médiem všech teplosměnných dějů v prostoru a umožňuje popsat stropní vytápění, ale i jiné prostorové teplosměnné děje mnohem přesněji a elegantněji, než hypotézy, které se sáláním nepracují.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Helena Hejhálková